E DIN IEC/TS 61244-1 (VDE V 0306-11):2014-05

Bestimmung der Langzeit-

Strahlungsalterung in Polymeren - Teil 1: Verfahren zur Messung der diffusionsbegrenzten Oxidation (IEC 112/271/CD:2013)

Es ist gewöhnlich erforderlich, die voraussichtliche Gebrauchsdauer eines polymeren Werkstoffs in unterschiedlichen betrieblichen Umgebungsbedingungen abzuschätzen. Für längere Betriebszeiten (Jahre) erfordert dies die Anwendung zeitraffender Alterungsverfahren, die dadurch charakterisiert sind, dass sie Ergebnisse modellhaft auswerten, die unter stärkeren Beanspruchungen erhalten wurden, als sie in der üblichen betrieblichen Umgebung auftreten. Bei vielen praktischen Anwendungen gehört Luft zu den Umgebungsbedingungen. Das bedeutet gewöhnlich, dass dem Materialabbau wichtige Oxidationseffekte zugrunde liegen. Leider ergibt die Einwirkung von Luft während der Alterung von Polymeren oft heterogen oxidierte Proben, wodurch sowohl das Verständnis der Oxidationsprozesse als auch die Extrapolation der Ergebnisse der zeitraffenden Prüfung auf Langzeit-Bedingungen erschwert werden.
Die heterogene Oxidation wird vor allem durch diffusionsbegrenzte Oxidation hervorgerufen. Die Bedeutung dieser Komplikation unter verschiedenen Umgebungsbedingungen, wie die Beanspruchung durch Wärme, ionisierende Strahlung und ultraviolette Strahlung, ist seit vielen Jahren bekannt. Eine diffusionsbegrenzte Oxidation kann immer dann stattfinden, wenn der Sauerstoff in einem Material schneller verbraucht wird als er aus der umgebenden Atmosphäre nachdiffundiert. Unter dieser Bedingung ergibt sich ein allmählicher Abfall der Sauerstoffkonzentration vom Gleichgewichts-Sorptionswert an der Oberfläche bis hin zu einem verminderten Wert oder zum Wert Null im Innern. Dies führt gewöhnlich zu einer heterogenen Oxidation über den Querschnitt des Materials, mit einer Gleichgewichtsoxidation an der Oberfläche, die den Bedingungen der Luftsättigung entsprechen kann, und verminderter oder geringer Oxidation im Innern.
Die Bedeutung dieses Effektes hängt deutlich von der Materialgeometrie ab, verbunden mit der Verbrauchsgeschwindigkeit des Sauerstoffs, dessen Permeationskoeffizienten sowie dessen Partialdruck an der Probe. Da die Verbrauchsgeschwindigkeit in charakteristischer Weise von den Beanspruchungsbedingungen, wie Temperatur und Dosisleistung, abhängt, und sich sowohl die Verbrauchsgeschwindigkeit als auch der Permeationskoeffizient mit dem Abbau ändern können, ändert sich die Bedeutung der diffusionsbegrenzten Oxidation auch mit der Stärke der Beanspruchung und dem Abbau. Das bedeutet oft auch, dass der Anteil der Probe, der unter verschärften Umgebungsbedingungen oxidiert wird, kleiner ist als der unter schwächeren Bedingungen oxidierte Anteil. Deshalb, und das ist seit vielen Jahren bekannt, müssen diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte gemessen und quantitativ verstanden werden, um mit ausreichendem Vertrauen zeitraffende Kurzzeitsimulationen der Luftalterung auf die wirklichen Langzeitbedingungen extrapolieren zu können.
Das Erreichen dieses Zieles ist nun realistisch geworden, da in der letzten Zeit erhebliche Fortschritte auf diesem Gebiet gemacht worden sind. Dieser Report soll einen Überblick hierzu geben. Der Abschnitt 2 beschreibt experimentelle Methoden zur Ermittlung von Profilen, die der Messung der diffusionsbegrenzten Oxidation dienen können. Eine theoretische Beschreibung wird in Abschnitt 3 gegeben. Da die Form der theoretisch gewonnen Profile vom Permeationskoeffizienten und der Verbrauchsgeschwindigkeit des Sauerstoff abhängt, müssen diese Größen gemessen oder abgeschätzt werden, um die Theorie quantitativ zu bestätigen. Zur Messung von Permeationskoeffizienten sind viele experimentelle Methoden entwickelt worden, und eine große Anzahl von Messwerten sind in der Literatur verfügbar. In Abschnitt 4 wird auf einen Teil der wichtigen Literatur eingegangen. Experimentelle Methoden zur Abschätzung der Verbrauchsgeschwindigkeiten des Sauerstoffs werden in Abschnitt 5 referiert. In Abschnitt 6 werden experimentelle Ergebnisse gebracht, welche die theoretischen Ansätze bestätigen. Bei Vertrauen in die theoretische Behandlung kann diese entweder zur Auswahl von Versuchsbedingungen, bei denen Diffusionseffekte zu vernachlässigen sind, oder zur Vorhersage der Bedeutung solcher Effekte verwendet werden. Wenn es unmöglich ist, Diffusionseffekte bei Alterung in Luft zu eliminieren, kann unter gewissen Bedingungen die Erhöhung der Sauerstoffkonzentration nützlich sein. Dazu wird in Abschnitt 7 die Sauerstoff-Überdruck-Technik beschrieben.
Teil 2 der Normenreihe IEC 61244 wird als gesonderter Report erscheinen und Verfahren zur Prädiktion von Strahlungsalterung bei niedrigen Dosisleistungen beschreiben.

Der hier vorliegende Teil 1 der Normenreihe IEC 61244 gibt einen Überblick über die experimentellen Verfahren zur quantitativen Bestimmung der Effekte unter Sauerstoffeinfluss während der Alterung von Polymeren unter verschiedenen Umgebungsbedingungen, einschliesslich Wärme und ionisierender oder ultravioletter Strahlung.
Inhomogene Alterungseffekte aufgrund von diffusionsbegrenzter Oxidation werden häufig angetroffen und geben theoretische Ansätze zur Abschätzung ihrer Bedeutung. Diese Effekte erschweren das Verständnis des Alterungsprozesses und die Extrapolation der Ergebnisse von Kurzzeitbestrahlungen auf Langzeitbedingungen.
Wenn diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte vorliegen, dann werden verschiedene Eigenschaften, die vom Grad der Oxidation abhängen, auch von deren räumlichen Verteilung abhängen. Deshalb kann mit jeder Technik, die das räumliche Profil solcher Eigenschaften zu messen ermöglicht, die diffusionsbegrenzte Oxidation gemessen werden. Da Polymere gewöhnlich in Querschnitten bis hinunter zu wenigen Millimetern oder weniger vorliegen, und weil diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte über solche kleine Abmessungen wirken, muss ein geeignetes Verfahren zur Gewinnung von Eigenschaftsprofilen eine räumliche Auflösung von mindestens 100 *m haben. Für die Empfindlichkeit ist weiterhin problematisch, dass selbst bei starkem Abbau weniger als 1 % des Polymers oxidiert werden. Deshalb muss ein brauchbares Verfahren eine ausreichende Auflösung, hohe Empfindlichkeit für geringe chemische Änderungen und eine breite Anwendbarkeit besitzen, sowie leicht durchzuführen und auszuwerten sein. Einige besonders brauchbare Verfahren werden in dieser technischen Spezifikation beschrieben.
Zuständig ist das DKE/K 183 "Bewertung und Qualifizierung von elektrischen Isolierstoffen und Isoliersystemen" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE.